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摘 要：提出用橢偏儀法測(cè)試了自制液晶空間光調(diào)制器（LCSLM）的相位調(diào)制色散特性．橢偏儀法具有光路簡(jiǎn)單單，結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，相比單色光源干涉儀測(cè)量方法更加簡(jiǎn)單實(shí)用．結(jié)果表明，在短波長(zhǎng)（450 nm）處，LCSI M 的相位調(diào)制能力為1．54λ（ λ=450 nm）．在長(zhǎng)波長(zhǎng)（800 nm）處,LCSLM 的相位調(diào)制能力為0．70λ（ λ=800 nm），與理論分析的色散特性基本一致．
關(guān)鍵詞：液晶；空間光調(diào)制器；色散；橢偏儀
中圖分類號(hào)：0753；TP217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—4213（2007）06—1065 3

0 引言
在不同波長(zhǎng)和電壓作用下，液晶空間光調(diào)制器具有不同的相位值．這種色散特性可以應(yīng)用在色散補(bǔ)償，白光波前校正，光通信等許多領(lǐng)域，具有十分廣泛的應(yīng)用前景．目前，對(duì)液晶色散特性的研究主要是對(duì)液晶雙折射△n和光強(qiáng)的研究，但沒(méi)有考慮到施加電壓后的相位色散特性．大多數(shù)相位都是通過(guò)干涉儀進(jìn)行測(cè)量，所以相位都是在單波長(zhǎng)下測(cè)得的．干涉測(cè)量光路復(fù)雜，測(cè)試手段麻煩，而且對(duì)于色散相位測(cè)量需要通過(guò)引入分光儀產(chǎn)生單色光源，再對(duì)不同波長(zhǎng)下的單色光源分別測(cè)量．本文提出用光譜型橢偏儀測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，該方法具有光路簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)．利用光譜型橢偏儀實(shí)現(xiàn)了液晶光調(diào)制器在450 nm 到800 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相位測(cè)量．

1 液晶空間光調(diào)制器光電特性的理論計(jì)算
根據(jù)液晶連續(xù)彈性體理論，電場(chǎng)作用下液晶的Gibbs自由能可表示為[7]

式中K₁₁,K₂₂,K₃₃分別是液晶分子的展曲彈性常量、扭曲彈性常量和彎曲彈性常量n（x,y,z）是液晶分子的指向矢，D、E分別是電位移矢量和電場(chǎng)強(qiáng)度矢量．對(duì)于平行排列液晶的Gibbs自由能公式可以寫(xiě)為[8]

式中ε_ο是真空介電常量，分別是垂直和平行方向的介電常量， z軸是液晶層的法線方向，D 是軸方向的電位移矢量，d為液晶層厚度，θ是液晶分子的傾角．由式（2）可得沿z軸方向上某一位置與該位置液晶傾角的關(guān)系為

角，通過(guò)兩邊界層的邊界條件解方程（3）可知給定電壓下液晶和內(nèi)部分子傾角的分布．根據(jù)各向異性介質(zhì)的折射率橢球公式

 

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
光譜型橢偏儀是一種專門(mén)測(cè)試薄膜厚度和折射率的器件，通過(guò)特殊光路的搭建，它可用于測(cè)量透射式液晶空間光調(diào)制器的相位，而且可以進(jìn)行多波長(zhǎng)測(cè)量．實(shí)驗(yàn)中使用的空間光調(diào)制器是經(jīng)過(guò)特殊加工的．將640×480的TFT一彩色液晶屏去掉彩膜和前后偏振片，前后兩基板摩擦方向互相平行，再注入油墨公司生產(chǎn)的RDP一92975型向列相液晶，制作成盒厚為5μm的平行排列液晶空間光調(diào)制器．

 

實(shí)驗(yàn)使用的是法國(guó)JY 公司生產(chǎn)的UVISELSPME型橢偏儀．它由氙燈光源、起偏器、光彈調(diào)制器、檢偏器、分光光譜儀、光電探測(cè)計(jì)算機(jī)和信息獲取與控制計(jì)算機(jī)組成．進(jìn)行液晶空間光調(diào)制器的相位測(cè)量時(shí)，如圖1

水平放置起偏器，光彈調(diào)制器，檢偏器，將液晶空間光調(diào)制器放在起偏器與光彈調(diào)制器之間．起偏器的偏振方向與x軸成45度，液晶空間光調(diào)制器的液晶排列方向與x軸成0度，檢偏器的偏振方向與x軸成0度．這樣由氙燈發(fā)出的光經(jīng)起偏器產(chǎn)生線偏振光，在x軸和y軸上有E_X,E_Y兩個(gè)分量，垂直入射到液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生 軸方向和Y軸方向的光程分別為， 是液晶空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓．由于光彈調(diào)制器可以檢測(cè)出軸方向和Y軸方向的光延遲．所以液晶空間光調(diào)制器的相位一電壓關(guān)系為

光譜型橢偏儀可以測(cè)量不同波長(zhǎng)下的光延遲，這樣就可以測(cè)量液晶空間光調(diào)制器在不同波長(zhǎng)下的相位一電壓關(guān)系．

3 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較
實(shí)驗(yàn)中選取450 nm～800 nm 波段進(jìn)行測(cè)量，光源譜 （450 nm～800 nm）的分辨率為10 nm，即
每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)之間的間隔只有10 nm．實(shí)驗(yàn)上采用日本油墨公司的RDP一92975型向列相液晶，其參量為

有限，只能測(cè)出不同波長(zhǎng)下的An（A）值．又因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)下 △n（λ）。值相差很小，所以這里假設(shè)壓，2．5 V中值電壓，3．5 V飽和電壓下指向矢傾角與空間位置關(guān)系如圖2．

圖2 液晶指向矢在外加電壓作用下傾角與空間位置的關(guān)系
Fig．2 The tilt angle along the normal of LC cell as a functionof at different applied voltages simulated by computer

圖中z為液晶層的不同深度，d為液晶盒的厚度，z/d 即為液晶層的空間位置關(guān)系．再由圖2．傾角與空間位置關(guān)系和n_o（λ）, n_e（λ）模擬計(jì)算出在不同電壓下相位與波長(zhǎng)之間的關(guān)系如圖3中的實(shí)線所示，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值在圖中以實(shí)心方塊表示．

圖3 液晶空間光調(diào)制器在不同電壓下，相位與波長(zhǎng)之間的關(guān)系
Fig．3 The phase as a function of wavelength at differentapplied voltages

從圖3可以看出，在不同電壓下色散特性的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值符合得較好．至于實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的偏離除了實(shí)驗(yàn)誤差等因素外，與n_e（λ）,n_o（λ）, 的準(zhǔn)確性也有關(guān)系．從上述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，本文的相位波長(zhǎng)關(guān)系的模擬計(jì)算提供了比較可靠的液晶色散特性．

從圖3中還可以看出，在短波長(zhǎng)450 nm 處，LCSLM 的相位調(diào)制能力強(qiáng)，有1．54λ（ λ=450 nm）．隨著波長(zhǎng)的逐漸變大，LCSLM 的相位調(diào)制能力逐漸變小，在長(zhǎng)波長(zhǎng)800 nm 下，LCSLM 的相位調(diào)制能力只有0．70λ（ λ=800 nm），相應(yīng)地LCSLM 的調(diào)制準(zhǔn)確度也隨之變小．由此可以得知，在大范圍相位調(diào)制的要求下，可以選取短波長(zhǎng)光源進(jìn)行相位調(diào) [5]制．而在高準(zhǔn)確度相位調(diào)制的要求下，就應(yīng)選取長(zhǎng)波長(zhǎng)光源來(lái)進(jìn)行相位調(diào)制．

4 結(jié)論
本文研究了自制平行排列透射式液晶空間光調(diào)制器的相位色散特性，理論仿真計(jì)算了它的相位調(diào)制，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者基本吻合．介紹了利用光譜型橢偏儀測(cè)量色散特性的方法，能夠大幅度
降低色散相位測(cè)量的難度，為空問(wèn)光調(diào)制器的相位補(bǔ)償提供了有效的測(cè)試手段．

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The Investigation of Phase Dispersive Characteristics About Phase—only
Liquid Crystal Spatial Light M odulator
LI Da—yu ～，MU Quan—quan ～，HU Li—fa ，CAO Zhao—liang ～，LU Xing—hal ，XUAN Li
（1 State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，
Chinese Academy of Sciences，Changchun 1 30033，China）
（2 Graduate University 0_，the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）
Received date：2006 03—22
Abstract：The measurem ents of phase dispersions characte“stics of liquid crystal spatial light m odulator by
ellipsom eter are described．It was found that dispersions phase of liquid crystal is 1．092 at 1．5 V threshold
voltage and 0．242 at 3．5 V saturation voltage in 450 nm ～ 800 nm wave band．Theory on dispersions
characteristics was analysed and found to have agreement w ith experim ental result．
Key words：Liquid crystal；Spatial light modulator；Dispersive；Ellipsometer
LI Da—yu received his B．S．degree in Electronics from Jilin University in 2002．Currently，he
is working for the Ph．D．degree in State Key Laboratory of Applied Optics in CIOM P，
Chinese Academy of Sciences．His research interests include LC device and its optical
application．
 

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